Autor Tema: Más rápido que la velocidad de la luz.

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04 Noviembre, 2009, 12:21 pm
Respuesta #20

Jabato

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Para un observador que se encuentre dentro del vagón da lo mismo a que velocidad se mueva éste siempre que sea constante. Para un observador que se encuentre en el exterior, en reposo respecto al suelo, todo sucede igual salvo que a la velocidad de la cabeza de la escalera hay que sumarle la velocidad del propio vagón.

El problema debe resolverse entonces calculando la velocidad de la cabeza de la escalera como si el vagón se encontrara en reposo, y a la solución sumarle (vectorialmente claro) la velocidad de desplazamiento del vagón que queramos imponer.

Para resolver el problema con el vagón en reposo solo hay que tener en cuenta que el vínculo de la base de la escalera es capaz de absorber la componente de la gravedad que es paralela a la propia escalera, la componente normal a la escalera, en cada instante, hará que la escalera gire respecto a la bisagra. Planteando la ecuación diferencial correspondiente se obtiene la velocidad de la cabeza de la escalera, velocidad a la que habrá que sumar la que corresponda al desplazamiento del vagón. Ahora no tengo tiempo de ponerme a hacer números pero esta tarde creo que podré dedicarle un rato. No parece un problema difícil salvo que la ecuación diferencial que se plantee no haya por donde meterle mano, que también podría ser.

Saludos, Jabato. ;D

04 Noviembre, 2009, 03:57 pm
Respuesta #21

alespa07

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Hola. Veo que os hace falta un físico por aquí jejeje. Obviamente, la solución que se propuso al principio no es físicamente aceptble. Esto es debido a que, como ya han subrayado algunos, llegará un momento en el que la escalera pierda el contacto con la pared. Ese instante dependerá de las condiciones iniciales y podemos encontarlo. Este problema es, para los físicos, típico del estudio del movimiento de los cuerpos sólidos. Lo ideal, en este caso, es escoger \( \theta \)  como variable y aplicarle la ecuación fundamental de la dinámica de rotación del sólido. En efecto, si escogemos el punto de contacto con el suelo como centro de rotación espontáneo ( quiero decir que no es fijo sino que es móvil) entonces, podemos calular los momentos de fuerzas \( \tau_{\vec f} \) para \( \vec N_p \) la normal a la pared y \( m\vec g \) el peso de la escalera concentrado en su centro de masas ( suponemos que a escalera es una barra homogénea y su centro de masas conicide con su centro de simetría). la ecuación resultante será:

\( I\theta^{\prime\prime}=\displaystyle\sum\tau_{\vec F_{ext}}}\Longrightarrow{I\theta^{\prime\prime}=\displaystyle\frac{1}{2}mgL\sin\theta-N_pL\cos\theta} \)
   Editado.Gracias Jabato

Con I el centro de inercia de la escalera respecto del centro de rotación que es: \( I=\displaystyle\frac{1}{3}mL^2 \) (se puede hallar por integración o conociendo el momento de inercia en el centro de masas y usando el teorema de Steiner).

Nuestra intención es conocer \( N_p \) para saber cuando la escalera dejará de tener contacto con la pared. Para ello, nos fijameos en que mientras haya contacto, la posición del punto de contacto con el suelo es \( x=L\sin\theta \) por lo que:

\( v_0=\displaystyle\frac{d(L\sin\theta)}{dt}=L\cos\theta\displaystyle\frac{d\theta}{dt}\Longrightarrow{v_0^{\prime}=0=-L\sin\theta\left(\displaystyle\frac{d \theta}{dt}\right)^2+L\cos\theta\displaystyle\frac{d^2\theta}{dt^2}} \)


Despejamos \( \displaystyle\frac{d^2\theta}{dt^2}}=\theta^{\prime\prime} \) de la última ecuación y sustituyendo con la anterior obteniendo:

\( \theta^{\prime\prime}=\displaystyle\frac{v_0^2\sin\theta}{L^2\cos^3\theta} \)


Ahora, podemos depejar la normal a pared como queríamos de la primera ecuación:

\( N_p=\displaystyle\frac{1}{2}mg\tan\theta\left(1-\displaystyle\frac{2v_0^2}{3gL\cos^3\theta}\right) \)


Aquí es donde intervienen las condiciones iniciales. Si \( \displaystyle\frac{v_0^2}{gl}\geq\displaystyle\frac{3}{2} \) entonces, para cualquier tiempo la normal a la pared es negativa y la escalera pierde el contacto con la pared en \( t=0 \)

En cambio, si \( \displaystyle\frac{v_0^2}{gl}\leq\displaystyle\frac{3}{2} \) entonces, la escalera estará en contacto con la pared hasta llegar a un ángulo crítico \( \theta_c \) en el cual \( F_p=0\Longrightarrow{\cos^3\theta_c}=\displaystyle\frac{2v_0^2}{3gL} \) y el punto de contacto con la pared tendrá por posición:

\( y_c=L\cos\theta_c\Longrightarrow{v_y=-v_0\,\sqrt[ ]{\left(\displaystyle\frac{3gL}{2v_0^2}\right)^{2/3}-1}} \)


A partir de ahí, la escalera ya no esta en contacto con la pared y la ecuación del movimento es:

\( \theta^{\prime\prime}=\displaystyle\frac{3g}{2L}\sin\theta \)
.


El resto supongo que ya sabréis como se hace. Esta el la manera correcta de resolverlo.


Saludos.

P.D: Disculpad lapoca calidad del esquema que he adjuntado ( no tenía tiempo de hacerlo más elaborado). Además se me olvidó colocar una fuerza horizontal hacia la izquierda en el punto de contacto con el suelo para que la velocidad pueda ser constante.

Las matemáticas son el alfabeto con el cual dios creó el universo.
Galileo Galilei.

04 Noviembre, 2009, 04:17 pm
Respuesta #22

Luis Fuentes

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Hola

 Hay algo que no me "cierra" (como dicen en Argentina). No estoy seguro bajo que hipótesis trabajas.

 Pero veamos, si yo tengo la escalera pegada a la pared y de repente la base de ella se mueve a velocidad constante, el otro extremo automáticamente se separa de la pared en un intervalo de tiempo determinado. Porque comenzaría a moverse con velocidad inicial constante en dirección opuesta a la pared y con una aceleración en contra provocada por la caída. Sea cual sea la fórmula que nos da esa acerlación tendríamos, que la velocidad (horizontal) es una función continua sería opuesta a la pared al menos en entorno suficientemente pequeño.

 No sé si me explico. ¿Me estoy perdiendo algo?.

Saludos.

04 Noviembre, 2009, 04:50 pm
Respuesta #23

alespa07

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Hola

 Hay algo que no me "cierra" (como dicen en Argentina). No estoy seguro bajo que hipótesis trabajas.

 Pero veamos, si yo tengo la escalera pegada a la pared y de repente la base de ella se mueve a velocidad constante, el otro extremo automáticamente se separa de la pared en un intervalo de tiempo determinado. Porque comenzaría a moverse con velocidad inicial constante en dirección opuesta a la pared y con una aceleración en contra provocada por la caída. Sea cual sea la fórmula que nos da esa acerlación tendríamos, que la velocidad (horizontal) es una función continua sería opuesta a la pared al menos en entorno suficientemente pequeño.

 No sé si me explico. ¿Me estoy perdiendo algo?.

Saludos.

Hola el-manco. La escalera no tiene porque separarse en un principio. Esto es precisamente la diferencia según la velocidad inicial. Si te fijas en la condición sobre la velocidad inicial, lo que te dice es que para que se separe, dicha velocidad tiene que compensar la tendencia de la gravedad a dejarla en contacto. Si dica compensación no se produce, la escalera seguirá en contacto con la pared hasta el ángulo crítico. No se si me explicado bien. En fin, si no te  queda claro que sea así ¿que propones?

Que vaya bien

Saludos.
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04 Noviembre, 2009, 04:57 pm
Respuesta #24

Luis Fuentes

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Hola

 No me debo de estar explicando bien, porque lo que digo es muy simple.

 Si yo "de golpe" (instantánemaiente) adquiero una velocidad de un metro por segundo hacia la izquierda(1) es imposible que cualquier fuerza "de golpe" contrarreste ese movimiento, porque esa fuerza inducirá un movimiento aceleado. La velocidad no puede cambiar instantánemante de signo. La fuerza me irá frenando "poco a poco".

 ¿Me estoy obcecando? ¿Se me escapa algo?.

Saludos.



(1)Claro eso en la realidad no puede hacerse todo movimiento es acelerado, pero si entiendo bien estamos bajo ese supuesto. La base de la escalera se pone de manera instantánea a velocidad constante.

04 Noviembre, 2009, 04:58 pm
Respuesta #25

alespa07

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Disculpa el-manco. Creo que he encontrado lo que confude. Lo que dices es cierto para la velocidad del centro de masa pero no es válido para el extremo de la escalera. A pesar de que la velocidad inicial del punto de contacto conn el suelo y la del centro de masas los alejan de la pared, no tiene porqué ser así para el punto de contacto con la pared. Lo que si es cierto es que, cualquier sea la velocidad inicial, llegará un momento en el que deje de tener contacto.

saludos.

P.D: Acabo de leer tu post (bia mandado el otro mientras escribial el tuyo). Entiendo lo que quieres decir pero, en este tipo de problemas, no se suele analizar el regimen estacionario que consiste en alcanzar la velocidad constante. Aún así, la fuerza que exista sobre el punto de contaco con el suelo ( rozamientoor ejemplo) puede ser linael con la velocidad y así contrarestar en todo momento la aceleración hasta llegar al moviento rectilíneo uniforme-
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04 Noviembre, 2009, 06:06 pm
Respuesta #26

Luis Fuentes

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Hola

 Sigo sin entenderlo.

 ¿Debo de suponer que mientras que el extremo de la escalera toma de golpe velocidad el otro se acelera poco a poco? ¿Siendo un sólido rígido?... no me cuadra.

Citar
no se suele analizar el regimen estacionario que consiste en alcanzar la velocidad constante.


 Tampoco entiendo que quieres decir con esto. ¿Estamos suponiendo que la base toma velocidad constante de manera instantánea si o no?. Si la respuesta es no, entonces iríamos acelerando poco a poco la escalera e intervendría otro dato más, que es con que fuerza lo aceleramos.

 Pido disculpas si me muestro obtuso pero es que mi física está muy oxidada (y nunca fue gran cosa).

Saludos.

04 Noviembre, 2009, 07:29 pm
Respuesta #27

alespa07

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Hola

 Sigo sin entenderlo.

 ¿Debo de suponer que mientras que el extremo de la escalera toma de golpe velocidad el otro se acelera poco a poco? ¿Siendo un sólido rígido?... no me cuadra.

Citar
no se suele analizar el regimen estacionario que consiste en alcanzar la velocidad constante.


 Tampoco entiendo que quieres decir con esto. ¿Estamos suponiendo que la base toma velocidad constante de manera instantánea si o no?. Si la respuesta es no, entonces iríamos acelerando poco a poco la escalera e intervendría otro dato más, que es con que fuerza lo aceleramos.

 Pido disculpas si me muestro obtuso pero es que mi física está muy oxidada (y nunca fue gran cosa).

Saludos.

Hola el-manco. Sí, estamos suponiendo que la base toma su velocidad de manera instantánea (el regimen transitorio sería el intervalo de tiempo que se necesita para alcanzar dicha velocidad). Otra manera de verlo es pensar que tomas el origen de tiempo una vez alcanzada la velocidad inicial constante y que el sistema en este instante  se encuentra en la posición inicial de cada extremo. Lo que sí es importante es añadirle a la base un fuerza que contrarreste la tendencia natural de la gravedad a acelerar el movimiento de la base (podría ser rozamiento o algún tipo de raile con motor....). Esta fuerza no aparece en las ecuaciones, igual que la normal con el suelo, porque pasa por el origen de momentos y, por lo tanto, no hace momento de fuerza.

Diría más, si el movimiento de la base fuera acelerado en un principio, esto no se traduciría necesariamente por una aceleración horizontal del extremo que nos interesa. Como siempre, dependerá de la aceleración (puedes volver a escribir las ecuaciones en este caso y encontrar una condición sobre la aceleración inicial): Lo que seguro tendría una aceleración vertical hacia abajo.

Saludos.
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Galileo Galilei.

04 Noviembre, 2009, 07:44 pm
Respuesta #28

Luis Fuentes

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Hola

 Si, la clave de mi confusión es esta:

Citar
Disculpa el-manco. Creo que he encontrado lo que confude. Lo que dices es cierto para la velocidad del centro de masa pero no es válido para el extremo de la escalera. A pesar de que la velocidad inicial del punto de contacto conn el suelo y la del centro de masas los alejan de la pared, no tiene porqué ser así para el punto de contacto con la pared. Lo que si es cierto es que, cualquier sea la velocidad inicial, llegará un momento en el que deje de tener contacto
.

Estoy intentado mentalizarme de que aunque el extremo de la base tenga una velocidad incial tanta, esta no se transmite instantáneamente al otro extremo. Creo que me voy haciendo a la idea... Claro en realidad se produce una rotación...mmm...me voy convenciendo.

Saludos.

04 Noviembre, 2009, 09:36 pm
Respuesta #29

Jabato

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He repasado los cálcuos que nos da alespa y voya tratar de exponerlos con algunas explicaciones aclaratorias, que él no incluyó, sin pensar quizás que está tratando con personas cuyos conocimientos de física no son probablemente todo lo buenos que fuera de desear.

En primer lugar considera que hay tres fuerzas actuando sobre la escalera:

1ª.- Su propio peso que se supone actua sobre la vertical de su C.D.G, punto que supone está ubicado en su punto medio. Tal y como él mismo indica presupone que la escalera es una barra homogénea con su centro de gravedad situado en su centro de simetría. El valor de dicha fuerza es \( P=mg \)

2ª.- La reacción de la pared que actua sobre el punto superior de la escalera y que es necesariamente normal a la propia pared, es decir es horizontal. Su valor es \( N_p \)

3ª La reacción del suelo, sobre el punto inferior de la escalera, que denominaré \( N_s \), que es vertical (perpendicular al suelo) y que no interviene en los cálculos por lo que luego veremos (genera un momento de giro nulo), y por eso su símbolo no aparece en las ecuaciones.

Considera que la escalera estará girando respecto a punto de apoyo sobre el suelo, utilizando como ángulo de referencia el ángulo que forma la escalera con la vertical \( \theta \) y establece la ecuación general para esta rotación que, conforme a la teoría, establece que:

\( I\theta ''=\displaystyle\sum_{i=1}^3{}M_i \)

en la que \( I \) es el momento de inercia de la escalera respecto al centro de giro, y \( M_i \) representa el momento de giro de cada una de las fuerzas respecto al mismo punto.

Puesto que el momento de inercia de la escalera respecto a su extremo de la base es el de una barra homogénea de masa \( m \) y longitud \( L \) respecto a uno de sus extremos que vale:

\( I=\displaystyle\frac{m}{L}\displaystyle\int_{0}^{L}x^2dx=\displaystyle\frac{1}{3}mL^2 \)

y los momentos de cada una de las fuerzas respecto al mismo punto valen:

1º El peso de la escalera genera un momento de valor:   \( M_1=\displaystyle\frac{1}{2}mgLSen(\theta) \)

2º La reacción de la pared genera un momento de valor:   \( M_2=-N_pLCos(\theta) \)

3º La reacción del suelo genera un momento de valor:   \( M_3=0 \)

La ecuación general nos queda entonces:

\( \displaystyle\frac{1}{3}mL^2\theta ''=\displaystyle\frac{1}{2}mgLSen(\theta)-N_pLCos(\theta) \)

ecuación de la que debemos despejar \( N_p \) y tratar de averiguar en que momento dicha reacción sobre la pared es positiva ya que será entonces cuando la cabeza de la escalera se apoye en la pared, y cuando dicha reacción se haga nula ó negativa momento que será cuando la escalera deje de apoyarse sobre la pared:

\( N_p= \displaystyle\frac{3mgSen(\theta)-2mL\theta ''}{6Cos(\theta)}
 \)

La segunda condición que utiliza alespa es la de que la aceleraciónde la base de la escalera es nula puesto que su velocidad, \( v_0 \), es constante, lo que nos permite determinar el valor de \( \theta '' \) al ser \( v_0'=0 \):

\( \theta ''=\displaystyle\frac{v_0^2 Sen(\theta)}{L^2 Cos^3(\theta)} \)

que substituida en la anterior nos conduce a:

\( N_p= \displaystyle\frac{1}{2}mgTan(\theta)\left(1-\displaystyle\frac{2v_0^2 }{3LgCos^3(\theta)\right)}
 \)

NOTA: \( v_0 \) representa la velocidad horizontal constante con que se desplaza la base de la escalera.

El resto es ya solo discusión de esta ecuación según los valores de \( v_0 \), discusión que en mi opinión es correcta desde todo punto de vista.

Una bonita solución a un problema de dinámica del sólido rígido que digamos que ... no se caracteriza precisamente por su sencillez.

Saludos, Jabato. ;D